DE102018112126A1 - Verfahren zur generativen Herstellung eines Bauteils, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Sören Schiwy
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen.Es wird ein Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils (12) zur Verfügung gestellt. Dabei wird ein Pulver (20) eines Materials (22) mittels Laserstrahlung (30) erhitzt und zumindest teilweise geschmolzen und das geschmolzene Material (22) erstarrt zwecks zumindest bereichsweiser Ausbildung des Bauteils (12). Wenigstens ein Bereich (25) des Pulvers (20) wird mit mittels wenigstens einer ersten Laserquelle (34) ausgegebener Laserstrahlung (30) und anschließend mit mittels wenigstens einer zweiten Laserquelle (34) ausgegebener Laserstrahlung (30) bestrahlt. Auf diese Weise wird ein Erhitzen und/oder Schmelzen des Bereichs (25) in mehreren Schritten realisiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen.
  • Generative Fertigungsverfahren, auch als additive Fertigungsverfahren bezeichnet, haben aufgrund zahlreicher Vorteile in unterschiedliche Bereiche der industriellen Produktion Einzug gehalten. Insbesondere die Flexibilität dieser Verfahren, die das Herstellen von Bauteilen ohne Formwerkzeuge ermöglichen und somit ohne teure bzw. aufwendige Änderungen für die Herstellung neuer bzw. geänderter Bauteile genutzt werden können, qualifiziert sie für breite Anwendungsbereiche.
  • Bei den Pulverbettverfahren erfolgt dabei ein schichtweiser Aufbau, bei dem eine Pulverschicht aufgetragen und die einzelnen Pulverpartikel lokal verbunden werden. Dies erfolgt beim selektiven Laserschmelzen beispielsweise durch lokales Aufschmelzen mittels Laserstrahlung. Beim Binder Jetting werden die Partikel dagegen mittels eines Bindemittels miteinander verklebt und es wird auf diese Weise das Bauteil hergestellt. Diesen Verfahren ist gemein, dass eine Oberfläche eines Pulverbettes zwecks Verbindung der Pulverpartikel bereichsweise bearbeitet wird. Das lose Pulver aus nicht bearbeiteten Bereichen kann zum Abstützen folgender zu verbindender Pulverschichten genutzt werden und wird typischerweise nach Herstellung des Bauteils wieder entfernt. Mit derartigen Verfahren sind Bauteile mit Überhängen von bis zu 15° herstellbar.
  • Bei den bisher bekannten Verfahren erfolgt im Anschluss an das Verbinden von Pulverpartikeln einer Schicht eine Absenkung des Pulverbettes um eine Schichthöhe und das Auftragen einer weiteren Schicht losen Pulvers.
  • Die DE 10 2013 011 675 A1 beschreibt ein Verfahren zur generativen Bauteilfertigung, bei dem ein pulverförmiger Werkstoff schichtweise mittels Laserstrahlung aufgeschmolzen wird. Dieses wird auch als selektives Laserschmelzen bezeichnet. Die Intensität der Laserstrahlung ist dabei innerhalb der Bearbeitungsebene räumlich und/oder zeitlich veränderbar. In einem ersten Bereich ist die Intensität derart eingestellt, dass die Schmelztemperatur des Werkstoffs erreicht bzw. überschritten wird. In mehreren außerhalb liegenden zweiten Bereichen wird jeweils eine geringere Intensität eingestellt. Die Intensitäten sind unabhängig voneinander einstellbar. Insbesondere kann eine Vorwärmung des Werkstoffs vor dem Aufschmelzen realisiert werden.
  • Die EP 3 034 205 A2 offenbart eine Vorrichtung zur generativen Herstellung eines Bauteils auf einer Baufläche mit einem Beschichter zum Erzeugen einer Pulverschicht und einem Laser zum lokalen Aufschmelzen der Pulverschicht. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Ablenkeinrichtung zum Ablenken des Laserstrahls auf unterschiedliche Bereiche der Pulverschicht bzw. zum Fokussieren des Laserstrahls sowie eine Ausgleichseinrichtung zur Ausrichtung der Baufläche und einer Fokusfläche des Laserstrahls zueinander. Dies ermöglicht die Korrektur einer während des Herstellungsprozess verstellten Fokuslage und dient somit der Einstellung der gewünschten lokalen Energiedichte des Laserstrahls. Beispielsweise kann dazu ein Messsystem im Strahlengang des Lasers angeordnet sein, um Form und Größe des Laserspots abzubilden und anhand dessen zu ermitteln, ob der Laser fokussiert ist. Die Ablenkeinrichtung kann eine F-Theta-Objektiv umfassen, um eine planare Fokusfläche zu gewährleisten.
  • Die DE 10 2015 103 127 A1 beschreibt ein Laser-basiertes Bestrahlungssystem für eine Vorrichtung zur generativen Fertigung mit einer ersten Strahlquelle und einer zweiten Strahlquelle. Das Bestrahlungssystem weist weiterhin eine gemeinsame Scanneroptik zur Fokussierung der beiden Laserstrahlen und einen Strahlenkombinierer zur Überlagerung der beiden Strahlen auf. Damit können aufgeteilte Laserstrahlen oder verschiedene Laserstrahlen in eine einzige Transportfaser eingekoppelt werden und gemeinsam mittels einer Scanneroptik über einen aufzuschmelzenden Bereich der Pulverschicht bewegt werden. Strahlung aus einer ringförmigen Faserhülle einer Transportfaser, welche einen größeren Fokusdurchmesser aufweist, kann das Pulver großflächig auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt erwärmen und der Laserstrahl aus dem Faserkern der Transportfaser dient dem Aufschmelzen des Pulvers.
  • Bei weiteren bisherig bekannten 3-D Druckern zur Herstellung von Metallbauteilen teilen sich mehrere Laserscannereinheiten mit jeweiligen Laserquellen die Oberfläche eines Pulverbettes und sind somit in der Lage, jeweils Bereiche von gemeinsam zu fertigenden Bauteilen oder separate Bauteile herzustellen. Auf diese Weise werden beispielsweise Bremssattel hergestellt. Hierbei kann die Geschwindigkeit deutlich erhöht werden, da mehrere Laserscannereinheiten ein Bauteil gleichzeitig herstellen können. Nachteilig ist, dass alle Scanner die Herstellung ihres zugeordneten Bereichs abgeschlossen haben müssen, bevor eine neue Pulverschicht aufgetragen werden kann und der Prozess erneut beginnt.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels welchen die generative Herstellung wenigstens eines Bauteils auf besonders einfache und kostengünstige Weise möglich ist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 8. Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2-7 angegeben, eine Ausgestaltung der Vorrichtung ist in Unteranspruch 9 angegeben. Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen, gemäß Anspruch 10 zur Verfügung gestellt.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils, bei dem ein Pulver eines Materials mittels Laserstrahlung erhitzt und zumindest teilweise geschmolzen wird und das geschmolzene Material zwecks zumindest bereichsweiser Ausbildung des Bauteils erstarrt. Wenigstens ein Bereich des Pulvers wird mit mittels wenigstens einer ersten Laserquelle ausgegebener Laserstrahlung und anschließend mit mittels wenigstens einer zweiten Laserquelle ausgegebener Laserstrahlung bestrahlt. Auf diese Weise wird ein Erhitzen und/oder Schmelzen des Bereichs in mehreren Schritten realisiert.
  • Ein Pulver im Sinne der Erfindung ist ein in Form von Feststoffpartikeln vorliegendes Material. Die Partikelgröße beträgt typischerweise ≤ 0,5 mm. Es können jedoch auch granulatförmige Stoffe bzw. Stoffgemische mit größeren Partikeln genutzt werden. Insbesondere werden metallische Materialien genutzt. Die Erfindung ist allerdings nicht darauf beschränkt, da ebenso thermische Kunststoffe bzw. kunststoffummantelte Metallpartikel, wie sie aus dem Binderjet-Verfahren bekannt sind, verarbeitet werden können. Letztere werden insbesondere im Anschluss an den schichtweisen Aufbau des Bauteils, bei welchem der Kunststoff zur mechanischen Verbindung der einzelnen Pulverkörner zumindest teilweise aufgeschmolzen wird, bei höheren Temperaturen in einem Ofen gesintert, um ein metallisches Gefüge mit einer höheren Festigkeit zu erzeugen.
  • Typischerweise wird in einer Schicht angeordnetes Pulver bzw. eine Oberfläche ausbildendes Pulver teilweise geschmolzen. Das bedeutet, dass nur Bereiche der Schicht geschmolzen werden, sodass nur in den geschmolzenen Bereichen das Bauteil hergestellt wird, und andere Bereiche der Schicht nicht geschmolzen werden und somit weiterhin als Pulver vorliegen. Das zumindest teilweise Schmelzen des Pulvers meint gegebenenfalls auch, dass einzelne Partikel des Materials lediglich teilweise geschmolzen werden, insbesondere in den jeweiligen Randbereichen der Partikel, sodass keine durchgehende flüssige Phase vorliegt. Auch auf diese Weise ist ein Verschmelzen der einzelnen Partikel unter Ausbildung einer im Wesentlichen festen Schicht möglich. Mit anderen Worten können einzelne Partikel vollständig geschmolzen werden, einzelne Partikel können teilweise, beispielsweise in Randbereichen, geschmolzen werden und/oder einzelne Partikel können nicht geschmolzen werden bzw. fest bleiben.
  • Bei der Bestrahlung des Bereichs mittels Laserstrahlung erhitzt diese das in dem Bereich befindliche Pulver, sodass es zumindest teilweise geschmolzen wird. Laserstrahlung wird dazu unter Ausbildung eines Auftrittspunkts auf eine Oberfläche des Pulvers gerichtet. Dabei wird die Oberfläche und ggf. auch darunter befindliches Pulver erhitzt bzw. geschmolzen. Selbstverständlich ist der Auftrittspunkt kein Punkt im mathematischen Sinne sondern vielmehr eine Auftrittsfläche, die auch als Fokusfeld, Fokuspunkt oder Fokusfleck der Laserstrahlung bezeichnet wird. Ein Auftrittspunkt im Sinne der Erfindung meint die Auftrittsfläche einer Strahlung auf eine Oberfläche und bedeutet nicht notwendigerweise, dass an dieser Stelle ein Fokus bzw. Brennpunkt eines optischen Elements bzw. Systems vorliegt.
  • Insbesondere beschreibt das erfindungsgemäße Verfahren ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen, typischerweise mit SLM abgekürzt.
  • Insbesondere umfasst das Verfahren weiterhin das Auftragen von Pulver zwecks Herstellung eines Pulverbettes. Es kann eine gleichmäßige Oberfläche hergestellt werden, beispielsweise mittels einer Rakel, um eine gleichmäßige Bestrahlung des Pulvers mittels Laserstrahlung zu gewährleisten. Nach dem Erstarren des in dem Bereich befindlichen, zuvor aufgeschmolzenen Pulvers erfolgt insbesondere ein erneutes Auftragen von Pulver.
  • Der Bereich des Pulvers wird mehrere Male mittels jeweiliger Laserquellen bestrahlt. Das Ausgeben der Laserstrahlung durch eine Laserquelle meint insbesondere auch das Erzeugen der Laserstrahlung durch die Laserquelle. Mit anderen Worten wird der Bereich wenigstens einmal mit zumindest einer ersten Laserquelle und anschließend wenigstens einmal mit zumindest einer zweiten Laserquelle bestrahlt. Im Anschluss kann ggf. eine weitere Bestrahlung mittels weiteren Laserquellen erfolgen. Die Laserquellen sind insbesondere voneinander unabhängig betreibbar.
  • Die an die erste Bestrahlung anschließende Bestrahlung mittels der zweiten Laserquelle meint, dass zu einem ersten Zeitpunkt die Bestrahlung des Bereichs lediglich mittels der ersten Laserquelle erfolgt und zu einem zweiten, auf den ersten Zeitpunkt folgenden Zeitpunkt die Bestrahlung des Bereichs lediglich mittels der zweiten Laserquelle erfolgt. Dabei ist es unerheblich, ob zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt eine gleichzeitige Bestrahlung des Bereichs mittels beider Laserquellen erfolgt.
  • Das Erhitzen bzw. Schmelzen des Bereichs in mehreren Schritten meint, dass ein Wärmeeintrag in einzelnen Abschnitten erfolgt, was mittels jeweils unterschiedlicher Laserquellen realisiert wird. Dabei ist es nicht notwendig, dass zwischen den Schritten bzw. Abschnitten eine Unterbrechung des Wärmeeintrags erfolgt. Mit anderen Worten ist es möglich, dass der Bereich über einen definierten Zeitraum kontinuierlich bestrahlt wird, wobei die Bestrahlung mittels mehreren Laserquellen realisiert wird, die den Bereich zeitlich aufeinander folgend bestrahlen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn sich die mittels der einzelnen Laserquellen realisierten Auftrittspunkte überlappen.
  • Das in mehreren Schritten realisierte Erhitzen meint insbesondere die in mehreren Schritten erfolgende Erhöhung der Temperatur. Das in mehreren Schritten realisierte Schmelzen meint einen in mehreren Schritten erfolgenden Energieeintrag zwecks Schmelzens. Dabei kann die Temperatur des in dem Bereich befindlichen Pulvers insbesondere beim Schmelzen des Pulvers konstant bleiben.
  • Das Erhitzen in mehreren Schritten kann durch Bewegung des Pulvers in Bezug zu wenigstens zwei Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen bzw. Strahlungsquellen realisiert werden. Alternativ oder ergänzend kann es durch Führen von Laserstrahlung wenigstens zweier Laserquellen über die Oberfläche, auch als Scannen bezeichnet, realisiert werden.
  • Typischerweise werden als erste, zweite und gegebenenfalls dritte etc. Laserquelle gleichartige Laserquellen genutzt. Es können Pig-Tail-Diodenlaser verwendet werden. Dabei handelt es sich um leistungsstarke Dioden-Laser, welche mit einer Leitungs- und Ausgabeeinrichtung wie etwa einer Lichtleitfaser zur Leitung und Ausgabe der Laserstrahlung verbunden sind. Das Ende bzw. die Stirnseite der jeweiligen Leitungs- und Ausgabeeinrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, die jeweilige Laserstrahlung auszugeben. Somit können die Leistungen mehrerer Laserquellen kumuliert werden, um eine hohe Gesamtleistung zu realisieren. Auf diese Weise können vergleichsweise kostengünstige Laser genutzt werden, um eine Temperaturerhöhung bis hin zum Aufschmelzen insbesondere metallischer Materialien zu realisieren. Insbesondere erfolgt nach der Bestrahlung des Bereichs mittels der zweiten Laserquelle eine Bestrahlung des Bereichs mittels einer dritten, einer vierten und einer fünften Laserquelle. In einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt nacheinander die Bestrahlung des Bereichs mittels wenigstens zehn Laserquellen.
  • Das Erhitzen bzw. Schmelzen des Bereichs in mehreren Schritten ermöglicht das Schmelzen trotz eines je Schritt geringeren Energieeintrags. Auf diese Weise kommt es nicht zur Verdampfung oder zur Absprengung von Pulverpartikeln bzw. zum Zerreißen der Pulverschicht, wie es bei einem aus dem Stand der Technik bekannten, in einem Schritt erfolgenden Energieeintrag bekannt ist. Auch Bewegungen des Pulvers, die sich beispielsweise infolge hoher lokaler Temperaturgradienten ergeben können, werden verhindert.
  • Eine Ausgestaltung des Verfahrens zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver zumindest zeitabschnittsweise zeitgleich mit der Bestrahlung durch wenigstens eine Laserquelle entlang einer Vorschubrichtung bewegt wird. Dabei erfolgt die Bewegung insbesondere relativ zu der Laserquelle bzw. zu einer Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe von Laserstrahlung.
  • Typischerweise wird das Pulver linear bewegt. Es kann beispielsweise auf einem Förderband angeordnet sein, um mittels diesem in Bezug zu den Laserquellen sowie gegebenenfalls in Bezug zu weiteren Teilen der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bewegt zu werden. Dabei kann das Pulver selbstverständlich auch in Zeitabschnitten ohne Bestrahlung bewegt werden.
  • Mit anderen Worten wird ein kontinuierliches Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils zur Verfügung gestellt. Dies ermöglicht eine besonders schnelle und kostengünstige Herstellung von Bauteilen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird das Pulver mittels wenigstens zweier Laserquellen nacheinander bestrahlt, welche zur Ausgabe von Laserstrahlung an unterschiedlichen Positionen entlang der Vorschubrichtung eingerichtet sind.
  • Die beiden Laserquellen können auf unterschiedlichen Positionen entlang der Vorschubrichtung angeordnet sein. Typischerweise ist jede Laserquelle, also zumindest die erste und die zweite Laserquelle, mit einer Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe von Laserstrahlung, insbesondere einem Lichtleiter wie etwa einer Lichtleitfaser zur Leitung und Ausgabe der Laserstrahlung verbunden, wobei die Ausgabeeinrichtung bzw. das Ende des jeweiligen Lichtleiters dazu eingerichtet ist, die Laserstrahlung auszugeben.
  • Insbesondere sind die Ausgabeeinrichtungen, also beispielsweise die Lichtleiter bzw. deren Enden, an unterschiedlichen Positionen in Bezug zur Vorschubrichtung angeordnet. Sie können ortsfest sein. Mit anderen Worten wird das Pulver entlang hintereinander angeordneter Ausgabeeinrichtungen bewegt, sodass ein Bereich des Pulvers in zeitlicher Abfolge nacheinander mittels aus den Ausgabeeinrichtungen ausgegebener Laserstrahlung bestrahlt wird. Auf diese Weise erfolgt eine Erhöhung der Temperatur in mehreren Schritten im Durchlaufbetrieb. Dies ermöglicht eine besonders einfache Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die beschriebene Anordnung kann ebenso in der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angeordnet sein, welche somit besonders einfach und kostengünstig herstellbar ist.
  • Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des Pulvers mittels wenigstens zweier Laserquellen zumindest zeitabschnittsweise zeitgleich bestrahlt wird, sodass die auf den Teil treffende Strahlungsleistung größer ist als die mittels einer der Laserquellen realisierbare Strahlungsleistung.
  • Mit anderen Worten erfolgt die Bestrahlung zeitgleich mittels mehrerer erster Laserquellen und/oder zeitgleich mittels mehrerer zweiter Laserquellen. Während der zeitgleichen Bestrahlung kann auf dem Teil des Pulvers auf diese Weise eine höhere Strahlungsleistung realisiert werden als bei jeweiliger Verwendung lediglich einer Laserquelle. Mit anderen Worten werden die jeweiligen Strahlungsleistungen aller zeitgleich genutzten Laserquellen kumuliert.
  • Insbesondere sind dabei wenigstens zwei Laserquellen bzw. entsprechende Ausgabeeinrichtungen zur Ausgabe von Laserstrahlung auf derselben Position entlang der Vorschubrichtung angeordnet, sodass die mittels ihnen realisierten Laserstrahlen bei Bewegung des Pulvers zeitgleich auf den Teil des Pulvers gerichtet werden.
  • Diese Ausgestaltung ermöglicht die Nutzung besonders kostengünstiger Laserquellen, da jede einzelne Laserquelle mit einer vergleichsweise geringen Strahlungsleistung auskommt. Darüber hinaus ist eine dieser Ausgestaltung der Erfindung entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens durch das Vorhandensein jeweils mehrerer erster, zweiter und ggf. weiterer Laserquellen auf einfache Weise an unterschiedliche Anforderungen anpassbar, beispielsweise hinsichtlich des verwendeten Materials bzw. dessen Schmelzpunkts und/oder hinsichtlich einer Vorschubgeschwindigkeit bzw. einer zu schmelzenden Schichtdicke.
  • Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Laserquelle mittels einer Planfeldoptik auf einer im Wesentlichen ebenen Oberfläche des Pulvers abgebildet werden.
  • Mit anderen Worten wird die mittels einer jeweiligen Laserquelle ausgegebene Laserstrahlung mittels einer Planfeldoptik auf der Oberfläche des Pulvers abgebildet. Dabei kann eine Planfeldoptik für mehrere bzw. alle Laserquellen genutzt werden. Eine ebene Oberfläche im Sinne der Erfindung meint eine entlang einer nicht gekrümmten Ebene verlaufende Oberfläche. Mit anderen Worten erfolgt eine Beeinflussung der Laserstrahlung derart, dass die Oberfläche des Pulvers im Wesentlichen gleichmäßig bestrahlt wird.
  • Eine Planfeldoptik dient der Fokussierung der Laserstrahlung auf eine ebene Fläche und umfasst wenigstens eine Linse bzw. wenigstens ein Linsensystem. Damit wird eine Wölbung des Bildfelds bei Abbildung der Laserstrahlung auf die ebene Oberfläche des Pulverbetts minimiert. Verschiedene Ausführungen von Planfeldoptiken sind auch als F-Theta-Optik, Scan-Optik oder Flachfeldoptik bekannt.
  • Dies bringt den Vorteil einer besonders gleichmäßigen Bestrahlung des Bereichs bzw. unterschiedlicher Bereiche des Pulvers mit sich und ermöglicht auf diese Weise eine besonders hohe Qualität des hergestellten Bauteils.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Laserstrahlung mittels einer optischen Abtastvorrichtung, insbesondere mittels eines rotierenden Polygonspiegels, über das Pulver geführt. Im Falle eines rotierenden Polygonspiegels ist die Rotationsachse insbesondere parallel zu einer Vorschubrichtung des Pulvers ausgerichtet.
  • Mit anderen Worten dient die optische Abtastvorrichtung, auch als Scaneinheit bezeichnet, dem Abbilden der Laserstrahlung auf der Oberfläche des Pulvers. Dies dient einer steuerbaren und insbesondere gleichmäßigen Bestrahlung der Oberfläche des Pulvers. Das Führen der Laserstrahlung über das Pulver wird auch als Scannen bezeichnet. Insbesondere wird dabei ein Auftrittspunkt der Laserstrahlung über das Pulver geführt. Ein rotierender Polygonspiegel weist einen Querschnitt in der Form eines regelmäßigen Polygons auf, sodass jede der winklig zueinander stehenden Außenflächen das Führen der Laserstrahlung über das Pulver entlang einer Bahn ermöglicht. Auf diese Weise wird bei jeder Umdrehung des Polygonspiegels eine Vielzahl von Abtastvorgängen ermöglicht.
  • Bei einer parallel zur Vorschubrichtung des Pulvers ausgerichteten Rotationsachse wird die Laserstrahlung senkrecht zur Vorschubrichtung des Pulvers und insbesondere entlang linearer Bahnen über dessen Oberfläche geführt.
  • Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine Skalierbarkeit der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu höheren Vorschubgeschwindigkeiten und höheren Laserleistungen. Somit kann das Verfahren auf vorteilhafte Weise mit höheren Vorschubgeschwindigkeiten und höheren Laserleistungen betrieben werden, was eine besonders rasche und effiziente Herstellung von Bauteilen ermöglicht.
  • Eine Ausgestaltung des Verfahrens zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Nebenbereich des Pulvers, welcher dem zwecks Ausbildung des Bauteils zu schmelzenden bzw. geschmolzenen Bereich benachbart ist, erhitzt wird. Dies erfolgt Insbesondere durch Bestrahlung mittels Laserstrahlung. Durch das Erhitzen wird mittels Verringerung von Temperaturdifferenzen zwischen zu schmelzendem bzw. geschmolzenem Pulver und dem Nebenbereich des Pulvers eine Ableitung von Wärme aus dem zu schmelzenden bzw. geschmolzenen Bereich des Pulvers minimiert.
  • Das Erhitzen des Nebenbereichs erfolgt insbesondere mittels wenigstens einer ersten und/oder wenigstens einer zweiten Laserquelle. Insbesondere erfolgt es mittels mehrfach nacheinander erfolgender Bestrahlung mittels Laserstrahlung. Alternativ oder ergänzend kann ein anderes Verfahren zur Erhitzung genutzt werden. So können beispielsweise das gesamte Pulverbett und/oder weitere Teile der Vorrichtung durch Realisierung einer warmen Atmosphäre erhitzt werden.
  • Durch die Minimierung der Temperaturdifferenz zwischen zu schmelzendem bzw. geschmolzenem Pulver und dem Nebenbereich und der damit verbundenen Minimierung der Wärmeableitung wird die Gesamttemperatur des Pulverbettes bzw. des herzustellenden Bauteils erhöht. Mit anderen Worten wird ein Wärmestau erzeugt. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass der thermische Verzug minimiert wird, der aus der Volumenschrumpfung des erstarrenden bzw. sich abkühlenden Materials resultiert. Die Abkühlung wird verlangsamt und vergleichmäßigt. In der Folge werden die im Bauteil entstehenden Spannungen, insbesondere Zugspannungen, wie sie bei herkömmlichen Verfahren bekannt sind, minimiert. In einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt eine thermische Isolierung des Pulvers. Auf diese Weise wird ein Abkühlen des Pulvers verlangsamt und vergleichmäßigt.
  • Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestrahlung eines in einer ersten Ebene angeordneten ersten Bereichs des Pulvers des Materials erfolgt. Zumindest zeitabschnittsweise zeitgleich dazu wird auf einen zuvor zumindest teilweise geschmolzenen und insbesondere wieder erstarrten, in der ersten Ebene angeordneten zweiten Bereich des Materials ein Pulver eines Materials in einer zur ersten Ebene beabstandeten zweiten Ebene aufgetragen, mittels Laserstrahlung erhitzt und zumindest teilweise geschmolzen. Auf diese Weise erfolgt zeitgleich eine Ausbildung mehrerer Ebenen eines Bauteils.
  • Insbesondere sind die erste und die zweite Ebene parallel zueinander ausgerichtet. Typischerweise wird in der zweiten Ebene dasselbe Material aufgetragen wie in der ersten Ebene.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird zumindest zeitabschnittsweise zeitgleich in wenigstens zehn Ebenen, insbesondere wenigstens fünfzig Ebenen, und in einer Ausgestaltung in wenigstens einhundert Ebenen Pulver aufgetragen, erhitzt und zumindest teilweise geschmolzen.
  • Insbesondere beträgt ein entlang einer Vorschubrichtung des Pulvers gemessener Abstand zwischen einem Auftrittspunkt der Laserstrahlung auf den ersten Bereich des Pulvers und einem Auftrittspunkt der Laserstrahlung auf das auf den zweiten Bereich aufgetragene Pulver weniger als 10 cm, insbesondere weniger als 3 cm. Dies ist erreichbar durch die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens realisierbare hohe Qualität der Laserstrahlung, also durch die hohe Strahlgüte bzw. Strahlqualität sowie gegebenenfalls durch qualitativ hochwertige Polygonspiegel und lange Brennweiten der verwendeten Linsen. Auf diese Weise kann eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mittels welcher aus mehreren hundert Schichten aufgebaute Bauteile herstellbar sind, auf vergleichsweise geringem Bauraum bzw. mit einer vergleichsweise kurzen Strecke hergestellt werden. Auch werden auf diese Weise durch die räumliche Nähe der Wirkbereiche der einzelnen Laserquellen, die im kontinuierlichen Verfahren einhergeht mit rasch aufeinanderfolgenden Bestrahlungen durch die einzelnen Laserquellen, Wärmegradienten zwischen einzelnen Bereichen des herzustellenden Bauteils und/oder des Pulverbettes verringert, sodass ein langsames und gleichmäßiges Abkühlen erfolgen kann, was wie beschrieben thermischen Verzug minimiert.
  • Insbesondere erfolgt der Auftrag des Pulvers in einer Dicke zwischen 5 µm und 50 µm; insbesondere in einem Bereich von 10 µm bis 20 µm. In einer Ausgestaltung wird eine Schichtdicke zwischen 50 µm und 1 mm hergestellt.
  • Mit anderen Worten werden mehrere parallele Ebenen wenigstens eines Bauteils zumindest zeitabschnittsweise zeitgleich hergestellt. Es erfolgt eine kontinuierliche, stufenförmige Herstellung mehrerer Schichten wenigstens eines Bauteils. Auf diese Weise kann ein gesamtes Bauteil bzw. eine Vielzahl von Bauteilen vollständig in einem kontinuierlichen Prozess hergestellt werden. Dabei geben sich insbesondere die bereits beschriebenen Vorteile der langsamen und gleichmäßigen Abkühlung.
  • Darüber hinaus wird bei einer raschen Durchführung eines kontinuierlichen Verfahrens zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils der thermische Verzug minimiert, sodass auf besonders einfache Weise Bauteile höherer Qualität herstellbar sind.
  • In einer Ausgestaltung weist das erstarrte Material des zweiten Bereichs der ersten Ebene bei dem Auftrag des Pulvers in der zweiten Ebene eine Temperatur zwischen 500 °C und 1500 °C, insbesondere zwischen 700 °C und 1000 °C auf. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils, bei denen jede aufgeschmolzene Schicht vor dem Auftragen einer weiteren Pulverschicht weitgehend abkühlt, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf diese Weise der durch Volumenschrumpfung bedingte thermische Verzug und somit die im Bauteil verbleibenden bzw. in das Bauteil eingetragenen Zugspannungen minimiert. Mit anderen Worten wird ein mehrere gedruckte Schichten umfassender Wärmestau realisiert, der ein langsames und gleichmäßiges Abkühlen ermöglicht.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese umfasst eine Aufnahme- und Bewegungseinrichtung zur Aufnahme eines Pulvers und Bewegung des Pulvers entlang einer Vorschubrichtung. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Lasereinheit mit wenigstens zwei Laserquellen zur Realisierung von Laserstrahlung auf wenigstens einen Bereich des in der Aufnahme- und Bewegungseinrichtung aufgenommenen Pulvers zum Erhitzen und zumindest teilweisen Schmelzen des Pulvers. Die Laserquellen sind zur Ausgabe von Laserstrahlung an unterschiedlichen Positionen entlang der Vorschubrichtung eingerichtet, sodass bei Bewegung des Pulvers entlang der Vorschubrichtung der Bereich des Pulvers mittels der Laserquellen zeitlich nacheinander bestrahlbar ist.
  • Typischerweise ist jede Laserquelle mit einer Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe von Laserstrahlung verbunden. Diese sind derart angeordnet und eingerichtet, dass die Bestrahlung des Pulvers an unterschiedlichen Positionen entlang der Vorschubrichtung realisierbar ist. Insbesondere sind die Ausgabeeinrichtungen auf unterschiedlichen Positionen entlang der Vorschubrichtung angeordnet. Somit passiert das Pulver bei einer Bewegung entlang der Vorschubrichtung die Ausgabeeinrichtungen nacheinander und kann auf diese Weise nacheinander mit der jeweilig ausgegebenen Laserstrahlung bestrahlt werden. Jede Ausgabeeinrichtung kann Teil einer Leitung- und Ausgabeeinrichtung, beispielsweise umfassend eine Lichtleitfaser, sein.
  • Eine Lasereinheit umfasst wenigstens zwei Laserquellen, wobei diese nicht notwendigerweise mechanisch oder steuerungstechnisch gekoppelt sein müssen sondern vollständig unabhängig voneinander vorliegen können.
  • Die Aufnahme- und Bewegungseinrichtung ist typischerweise linear beweglich. Sie umfasst beispielsweise eine entlang einer Vorschubrichtung bewegliche Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme des Pulvers, die mittels einer Bewegungseinrichtung bewegt werden kann. Sie kann als Förderband ausgestaltet sein.
  • Wie beschrieben können als Laserquellen insbesondere sogenannte Pig-Tail-Diodenlaser genutzt werden. Diese weisen weiterhin den Vorteil auf, dass sie bei vergleichsweise geringem Bauraum hohe Strahlungsleistungen erzielen.
  • Die Vorrichtung kann weiterhin eine Auftrageinrichtung zum Auftragen des Pulvers zwecks Anordnung auf der Aufnahme- und Bewegungseinrichtung bzw. auf zuvor zumindest teilweise geschmolzenem und insbesondere wieder erstarrtem Material aufweisen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einfach und kostengünstig und dient der besonders effizienten generativen Herstellung von Bauteilen.
  • Eine Ausgestaltung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere Generationseinrichtungen zur generativen Herstellung jeweils einer Materialschicht wenigstens eines Bauteils aufweist. Jede Generationseinrichtung umfasst eine Auftrageinrichtung zum Auftragen des Pulvers zwecks Anordnung auf der Aufnahme- und Bewegungseinrichtung bzw. auf zuvor zumindest teilweise geschmolzenem und insbesondere erstarrtem Material sowie eine Lasereinheit.
  • Insbesondere sind die Generationseinrichtungen hintereinander entlang der Vorschubrichtung des Pulvers angeordnet.
  • Jede Generationseinrichtung kann weiterhin eine Planfeldoptik zur Ablenkung der Laserstrahlung zwecks gleichmäßiger Bestrahlung einer im Wesentlichen ebenen Oberfläche des Pulvers aufweisen. Jede Generationseinrichtung kann einen drehbar angeordneten Polygonspiegel zur Führung der Laserstrahlung über das Pulver bzw. zum Abbilden der Laserstrahlung auf der Oberfläche des Pulvers aufweisen, wobei die Rotationsachse des Polygonspiegels insbesondere parallel zu einer Vorschubrichtung des Pulvers ausgerichtet ist.
  • Insbesondere dient jede Generationseinrichtung dem Auftragen, zumindest teilweisen Schmelzen und Erstarren einer Schicht Pulver, sodass eine Schicht des Bauteils hergestellt wird. Die Anzahl der Generationseinrichtungen entspricht somit der Anzahl der herstellbaren Schichten. In einer Ausgestaltung weist die Vorrichtung wenigstens zehn, insbesondere wenigstens fünfzig, und in einer Ausgestaltung in wenigstens einhundert Generationseinrichtungen auf, welche entlang der Vorschubrichtung hintereinander angeordnet sind.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen. Dieses umfasst wenigstens ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil. Insbesondere handelt es sich um ein Metallbauteil oder um ein Kunststoffbauteil.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert, die unterschiedliche Aspekte und Ausgestaltungen illustrieren.
  • Es zeigen
    • 1: eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung einer Vorrichtung,
    • 2: eine erste Ausgestaltung einer Leitungs- und Ausgabeeinrichtung zur Nutzung in einer Vorrichtung,
    • 3: eine schematische Darstellung der Funktion der Leitungs- und Ausgabeeinrichtung aus 2,
    • 4: eine zweite Ausgestaltung einer Leitungs- und Ausgabeeinrichtung zur Nutzung in einer Vorrichtung,
    • 5: eine schematische Darstellung der Funktion der Leitungs- und Ausgabeeinrichtung aus 4,
    • 6: eine erste Multispotanordnung von Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen zur Nutzung in einer Vorrichtung,
    • 7: eine schematische Darstellung der Nutzung der ersten Multispotanordnung aus 6,
    • 8: eine schematische Darstellung der Nutzung von Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen,
    • 9: eine schematische Darstellung eines in der Vorrichtung nutzbaren Lichtleiters,
    • 10: eine erste Multispotanordnung in der Vorrichtung nutzbarer Lichtleiter,
    • 11: eine zweite Multispotanordnung in der Vorrichtung nutzbarer Lichtleiter,
    • 12: eine dritte Multispotanordnung in der Vorrichtung nutzbarer Lichtleiter,
    • 13: eine erste perspektivische Darstellung eines Details einer Vorrichtung,
    • 14: eine zweite perspektivische Darstellung eines Details der in 13 gezeigten Vorrichtung, sowie
    • 15: eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung.
  • 1 zeigt einen Teil einer Ausgestaltung einer Vorrichtung zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils. Es wird jeweilige Laserstrahlung 30 aus vier Laserquellen 34 überlagert, um einen Bereich 25 eines in einer Ebene angeordneten Pulvers 20 eines Materials 22 bzw. dessen Oberfläche 26 zu bestrahlen und auf diese Weise zu erhitzen und zumindest teilweise zu schmelzen. Nach Beendigung der Bestrahlung mittels der Laserstrahlung 30 erstarrt das geschmolzene Material 22 zur zumindest bereichsweisen Ausbildung wenigstens eines Bauteils.
  • Die dargestellte Lasereinheit 32 umfasst vier linear hintereinander angeordnete Laserquellen 34, wobei jeweilige Spiegel 135 derart angeordnet sind, dass die jeweilige Laserstrahlung 30 in Richtung auf das zu bestrahlende Pulver 20 überlagert wird und somit die kumulierte Laserstrahlung 30 aller Laserquellen 34 gleichzeitig auf das Pulver 20 auftrifft. Auf diese Weise kann eine Vielzahl geringer dimensionierter Laserquellen 34 genutzt werden, um in der Summe eine hohe Strahlungsleistung zu erzielen. Die überlagerte Laserstrahlung 30 wird mittels optischer Elemente 132, nämlich einem Spiegel und einer Sammellinse, abgelenkt und fokussiert.
  • Es ist eine Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70, nämlich ein einen Kreisquerschnitt aufweisender Lichtleiter 72 dargestellt, durch welchen die Laserstrahlung 30 abschnittsweise zum Material 22 geleitet wird. Am links dargestellten Ende der Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70 tritt die Laserstrahlung zwecks Ablenkung bzw. Fokussierung mittels der optischen Elemente 132 aus der Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70 aus. Am rechts dargestellten Ende tritt die Laserstrahlung 30 aller vier Laserquellen 34 in die Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70 ein. Eine derartige Überlagerung mehrerer Laserquellen 34 bzw. deren jeweiliger Laserstrahlung 30 kann bei jeder der im Folgenden beschriebenen Lichtleiter 72 bzw. Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70 realisiert sein.
  • Im inneren Bereich 75 des Lichtleiters 72 wird eine Information bezüglich der Temperatur des bestrahlten Materials 22, nämlich eine Wärmestrahlung 60, in entgegengesetzter Richtung zur Laserstrahlung 30 geleitet. Diese strahlt von der mittels Laserstrahlung 30 bestrahlten Oberfläche 26 ab, durchläuft dieselben optischen Elemente 132 wie auch die Laserstrahlung und wird mittels eines weiteren Spiegels 137 zu einer Erfassungseinrichtung 62 geleitet. Diese dient der Erfassung der Wärmestrahlung 60 zwecks Beeinflussung der Laserintensität.
  • Zu diesem Zweck sind sowohl die Erfassungseinrichtung 62 als auch die Laserquellen 34 mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung 140 verbunden, welche eine Temperaturauswertungseinrichtung 142 sowie eine Laserquellensteuerung 144 umfasst. Die Erfassungseinrichtung 62 steht zwecks Auswertung der auf der Oberfläche 26 herrschenden Temperatur in steuerungstechnischer Verbindung mit der Temperaturauswertungseinrichtung 142. Diese gibt entsprechende Signale an die Laserquellensteuerung 144 aus, welche dazu eingerichtet ist, auf der Basis der erhaltenen Signale eine oder mehrere Laserquellen 34 hinsichtlich ihrer jeweiligen Laserintensität zu beeinflussen. Auf diese Weise kann eine zu hohe oder zu geringe Bestrahlung erkannt und entsprechend ausgeglichen werden.
  • Weiterhin ist ein Signal einer Störstrahlung 130 dargestellt, welches von einem dem bestrahlten Bereich 25 der Oberfläche 26 benachbarten Bereich abgestrahlt wird und ebenfalls durch die optischen Elemente 133, den Lichtleiter 72 und den Spiegel 137 gebrochen bzw. abgelenkt wird. Es ist jedoch ersichtlich, dass die Störstrahlung 130 nicht von der Erfassungseinrichtung 62 erfasst wird und somit keinen Einfluss auf die Laserintensität hat. Mit anderen Worten trifft lediglich das Temperatursignal aus der Mitte des Auftrittspunkts auf die Erfassungseinrichtung 62 und wird zur somit Beeinflussung der Laserintensität genutzt. Durch die geeignete Ausgestaltung der optischen Elemente 132, des Spiegels 137 und der Erfassungseinrichtung 62 wird sichergestellt, dass keine Störstrahlung 130 eine derartige Regelung der Laserintensität behindert.
  • 2 zeigt eine Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70 zur Leitung und Ausgabe von Laserstrahlung mit einem Lichtleiter 72 zur Nutzung in einer Vorrichtung zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils. Die vordere, unten links dargestellte Stirnfläche der Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70 bzw. des Lichtleiters 72 dient der Ausgabe der Laserstrahlung zwecks Bestrahlung des Pulvers. Der innere Bereich 75 des Lichtleiters 72, einer Lichtleitfaser, ist als Glaskörper 76 ausgestaltet und dient der Übertragung der vom bestrahlten bzw. zu bestrahlenden Material abgegebenen Wärmestrahlung in Richtung auf eine Erfassungseinrichtung der Vorrichtung.
  • In alternativer Ausgestaltung ist der innere Bereich 75 des Lichtleiters 72 hohl ausgebildet. Dies hat den Vorteil gegenüber der Ausgestaltung in Glas, dass die Wärmestrahlung auch in Spektralbereichen erfassbar ist, in denen Glas nicht in der Lage ist, die Wärmestrahlung zu leiten, da Glas in diesen Bereichen nicht mehr transparent ist.
  • Mit anderen Worten ist der innere Bereich 75 zur Leitung bzw. Übertragung von Wärmestrahlung ausgestaltet. Die hier gezeigte Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70 wird auch als Dualkernfaser bezeichnet.
  • Der Lichtleiter 72 dient der zumindest abschnittsweisen Leitung der Laserstrahlung von einer Laserquelle zum zu bestrahlenden Material. Das bedeutet, dass die von der Laserstrahlung zurückzulegende Wegstrecke von der Laserquelle bis zum Auftrittspunkt auf dem Pulver nicht notwendigerweise vollständig durch den Lichtleiter 72 realisiert wird. Der Lichtleiter 72 und sein innerer Bereich 75 weisen jeweils koaxial angeordnete kreisförmige Querschnitte auf. Auf diese Weise kann exakt diejenige vom bestrahlten Bereich des Materials abgegebene Wärmestrahlung zwecks Beeinflussung der Laserintensität zur Erfassungseinrichtung geleitet werden. Die jeweiligen Materialien des Lichtleiters 72 sowie seines inneren Bereichs 75 weisen unterschiedliche Brechungsindizes auf. Der innere Bereich 75 des Lichtleiters ist von einer Glasfläche begrenzt. Ein äußerer Durchmesser D1 der Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70 bzw. des Lichtleiters 72 beträgt zwischen 50 µm und 1000 µm. Insbesondere für größere Anlagen bietet es sich an, einen äußeren Durchmesser D1 im Bereich von 500 µm -1000 µm zu realisieren.
  • Dabei ist vorteilhafterweise ein Verhältnis vom Durchmesser des inneren Bereichs 75 zum äußeren Durchmesser D1 zu realisieren, welches zwischen 0,3 und 0,9 liegt. Insbesondere ist anzustreben trieben, dass dieses Verhältnis zwischen 0,5 und 0,8 liegt. Dies hat den Vorteil, dass die zu messenden Wärmestrahlung zuverlässig der Erfassungseinrichtung 62 zugeführt werden kann.
  • 3 zeigt schematisch die Funktionsweise der beschriebenen Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70. Im oberen Bereich der Abbildung ist ein Segment der Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70 dargestellt, welches zur Verbesserung der Übersichtlichkeit der Darstellung abgeschnitten ist. Bei Anordnung in der Vorrichtung zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils wäre im weiteren Verlauf der Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70 an den Lichtleiter 72 eine Laserquelle und an den inneren Bereich 75 des Lichtleiters 72 eine Erfassungseinrichtung angeschlossen.
  • Es ist ersichtlich, dass Laserstrahlung 30 aus dem Ende der Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70 bzw. des als Lichtleitfaser ausgestalteten Lichtleiters 72 austritt. Die austretende Laserstrahlung 30 ist divergent und wird durch ein optisches Element 132, nämlich eine erste Sammellinse 138, fokussiert, um einen parallelen Strahlengang herzustellen. Die Laserstrahlung 30 durchläuft ein weiteres optisches Element 132, nämlich eine zweite Sammellinse 139, und wird fokussiert. Im hier dargestellten Zustand liegt der Fokus bzw. Brennpunkt der Laserstrahlung 30 vor oder hinter dem Auftrittspunkt der Laserstrahlung 30 auf eine Oberfläche ausbildenden Material 22 des Pulvers 20, sodass die Laserstrahlung 30 am Auftrittspunkt, also an ihrer Auftrittsfläche auf die Oberfläche, wieder als divergente Laserstrahlung 30 vorliegt. Dies dient der Realisierung eines weichen Übergangs zwischen einem kalten Kern und einem heißen Rand der Laserstrahlung am Auftrittspunkt. Typischerweise ist eine optische Abtastvorrichtung zum Führen der Laserstrahlung 30 über das Pulver 20 im parallelen Strahlengang zwischen den gezeigten optischen Elementen 132 angeordnet.
  • Die bestrahlte Bereich 25 befindet sich auf der der Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70 zugewandten Seite des Pulvers 20. Die vom bestrahlten Material 22 bzw. vom genannten Bereich 25 abgestrahlte Wärmestrahlung 60 durchläuft in entgegengesetzter Richtung zur Laserstrahlung 30 die optischen Elemente 132 und gelangt auf diese Weise in den als Glaskörper 76 ausgestalteten inneren Bereich 75 der Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70. Dort wird sie zwecks Erfassung weitergeleitet.
  • Alternativ zur hier beschriebenen Ausgestaltung kann der innere Bereich des Lichtleiters 72 ebenso als Hohlraum bzw. Hohlkern ausgestaltet sein, also als von einer Innenwandung des Lichtleiters 72, einer Glasfläche, begrenztes Luftvolumen zur Leitung der Wärmestrahlung.
  • 4 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70, in welcher der Lichtleiter 72 als photonische Kristallfaser 73 ausgestaltet ist. Diese Lichtleitfaser weist feine, entlang ihrer Lichtleitrichtung ausgerichtete Kanäle bzw. Hohlräume auf, welche als Strukturen mit einem Brechungsindex die Bewegung von Laserstrahlung beeinflussen. Auf diese Weise kann Laserstrahlung besonders effizient geleitet werden. Der innere Bereich 75 des Lichtleiters 72 ist in dieser Ausgestaltung als Hohlraum 77 bzw. Hohlkern ausgestaltet. Die Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70 ist umgeben von einem Glasmantel 78. Der Durchmesser D2 des inneren Bereichs 75 des Lichtleiters 72 beträgt etwa 30 µm und der Durchmesser D3 des Lichtleiters 72 beträgt etwa 100 µm.
  • 5 zeigt die Nutzung der in 4 beschriebenen Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70 in einer Vorrichtung zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils. Analog zur Darstellung der 3 ist diese in ihrem oberen Bereich abgeschnitten. Die Laserstrahlung 30 tritt an der Unterseite des Lichtleiters 72 aus und trifft auf den zu bestrahlenden Bereich 25 des Pulvers 20 des Materials 22. Von dem Bereich 25 abgestrahlte Wärmestrahlung 60 tritt in entgegengesetzter Richtung zur Laserstrahlung 30 in den als Hohlraum 77 ausgestalteten inneren Bereich 75 der Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70 ein und wird durch dieses in Richtung auf eine nicht dargestellte Erfassungseinrichtung geführt. Es ist ersichtlich, dass eine Wandung des inneren Bereichs 75 zur Reflexion der Wärmestrahlung ausgestaltet ist. Dies kann bei allen beschriebenen Ausgestaltungen der Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70 der Fall sein.
  • 6 zeigt eine quadratische Multispotanordnung 100, die als Feld bzw. Array mit fünf mal fünf Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen 70 ausgestaltet ist. Dabei können die einzelnen Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen 70 analog zu den 2 oder 4 und somit als Dualkernfaser oder als einen Hohlkern aufweisende photonische Kristallfaser ausgestaltet sein. Alle Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen 70 weisen einen Lichtleiter 72 und seinen zum Übertragen der Information ausgestalteten inneren Bereich 75 auf, wobei der Lichtleiter 72 und der innere Bereich 75 koaxial angeordnet sind.
  • Eine derartige Multispotanordnung 100 kann einerseits dazu genutzt werden, um mittels der entlang einer ersten Ausdehnungsrichtung nebeneinander angeordneten Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen 70 bzw. der mit diesen verbundenen Laserquellen einen Bereich des Pulvers zeitlich nacheinander zu bestrahlen und somit ein Erhitzen und/oder Schmelzen des Bereichs in mehreren Schritten zu realisieren. Dies kann bei einer Bewegung des Pulvers entlang einer Vorschubrichtung und/oder bei einem Abtasten der Oberfläche mit aus der Multispotanordnung ausgegebener Laserstrahlung mittels einer optischen Abtastvorrichtung realisierbar sein. Die entlang einer zweiten Ausdehnungseinrichtung nebeneinander angeordneten Ausgabeeinrichtungen können dazu genutzt werden, einen Teil des Pulvers gleichzeitig zu bestrahlen, um die Strahlungsleistungen der mit den jeweiligen Ausgabeeinrichtungen verbundenen Laserquellen zu kumulieren oder um bei einem Abtasten der Oberfläche einen Teil des Pulvers mittels mehrerer Laserquellen mehrfach nacheinander zu bestrahlen. Auch können analog zu 1 mehrere Laserquellen in die einzelnen Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen 70 eingekoppelt sein.
  • 7 zeigt schematisch und beispielhaft die Nutzung der Multispotanordnung 100 aus 6 bei der Durchführung eines Verfahrens zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils. Ein Pulver eines Materials 22 wird zur Herstellung eines Bauteils 12 mittels aus den Lichtleitern 72 ausgegebener Laserstrahlung bestrahlt, sodass es erhitzt und zumindest teilweise geschmolzen wird. Das geschmolzene Material 22 erstarrt nach der Bestrahlung zur zumindest bereichsweiser Ausbildung des Bauteils 12. Eine Information bezüglich der Temperatur des zu bestrahlenden bzw. bestrahlten Materials 22, nämlich eine Wärmestrahlung 60, wird im inneren Bereich 75 der Lichtleiter 72 zwecks deren Erfassung zur Beeinflussung der Laserintensität übertragen.
  • Die mittels der jeweiligen Wärmestrahlungen gemessenen Temperaturen T1 bis T6 der jeweiligen Auftrittspunkte der einzelnen Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen 70 sind in unterschiedlichen Schraffuren im inneren Bereich 75 der jeweiligen Lichtleiter dargestellt. Die erste Temperatur T1 entspricht dabei einem Temperaturbereich zwischen etwa 750 °C und 899 °C, die zweite Temperatur T2 entspricht einem Bereich zwischen etwa 900 °C und 949 °C, die dritte Temperatur T3 entspricht einem Bereich zwischen etwa 950 °C und 1099 °C, die vierte Temperatur T4 entspricht einem Bereich zwischen etwa 1100 °C und 1299 °C, die fünfte Temperatur T5 entspricht einem Bereich zwischen etwa 1300 °C und 1599 °C und die sechste Temperatur T6 entspricht einer Temperatur von etwa 1600 °C und ggf. höher.
  • Es ist ersichtlich, dass im Auftrittspunkt der oben rechts dargestellten Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70 eine vergleichsweise geringe Temperatur T1 herrscht, da dieser Auftrittspunkt einerseits entlang der Scanrichtung 31 der Multispotanordnung 100 vom liegt und somit das dort befindliche Material 22 noch nicht bestrahlt wurde. Andererseits liegt dieser Auftrittspunkt entlang der Vorschubrichtung 49 des Materials 22 hinten und wurde auch in einem zuvor realisierten Scan noch nicht bestrahlt. Der darunter angeordnete Auftrittspunkt weist eine deutlich höhere dritte Temperatur T3 auf, da er unmittelbar zuvor mittels Laserstrahlung bestrahlt worden ist, die mittels der oben rechts gezeigten Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70 ausgegeben wurde. Die weiter darunter befindlichen Auftrittspunkte weisen entsprechend höhere Temperaturen auf.
  • Der oben links befindliche Auftrittspunkt weist bereits eine hohe fünfte Temperatur T5 auf, da er in unmittelbarer Nachbarschaft von heißem, da zuvor bereits bestrahltem Material 22 angeordnet ist. Die darunter befindlichen Auftrittspunkte weisen dementsprechend noch höhere sechste Temperaturen T6 auf. In der oberen Reihe sinkt die Temperatur aufgrund des schwindenden Einflusses des bereits erhitzten, zuvor bestrahlten Materials 22 von links nach rechts. Nach unten hin erhöhen sich die jeweiligen Temperaturen wie beschrieben. Nach Erreichen einer definierten Maximaltemperatur kann etwa die Laserintensität verringert werden, sodass es in keinem Bereich zu einer Überhitzung des Materials 22 kommt.
  • Schematisch ist eine Scanrichtung 31 dargestellt, welche eine Relativbewegung der jeweiligen Auftrittspunkte der Lichtleiter 72 in Bezug zu der zu bestrahlenden Oberfläche beschreibt. Das Material 22 wird bei der Bewegung der Auftrittspunkte entlang der Scanrichtung 31 zeitlich nacheinander mittels Laserstrahlung mehrerer Laserquellen bestrahlt, wobei zeitgleich mit der Bestrahlung die Wärmestrahlungen der jeweilig bestrahlten Bereiche zu einer jeweiligen Erfassungseinrichtung geleitet, mittels dieser erfasst und zur Beeinflussung der Laserintensität genutzt werden. Insbesondere werden die jeweiligen Auftrittspunkte mittels eines rotierenden Polygonspiegels oder auch eine Pendelbewegung aus führenden Spiegels über die Oberfläche geführt. Insbesondere die Ausführungsform mit pendelndem Spiegel stellt eine kostengünstige Variante dar, in der der Erwärmungsprozess reversierend auszuführen ist.
  • Eine Planfeldoptik kann dabei zur gleichmäßigen Bestrahlung der im Wesentlichen ebenen Oberfläche des Pulvers genutzt werden.
  • Zusätzlich zum Führen der Auftrittspunkte über die Oberfläche erfolgt eine lineare Bewegung des Pulvers entlang der Vorschubrichtung 49. Auf diese Weise wird ein kontinuierliches Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils zur Verfügung gestellt, in welchem das Pulver relativ zu den Lichtleitern 72 sowie zu Auftrageinrichtungen zum Auftragen des Pulvers bewegt wird, um auf diese Weise eine kontinuierliche schichtweise Herstellung des Bauteils zu realisieren.
  • Die einzelnen Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen 70 der Multispotanordnung 100 aus 7 sind schematisch in 8 dargestellt, wobei auch hier die im jeweiligen inneren Bereich 75 der Lichtleiter 72 dargestellten Schraffuren den oben genannten Temperaturbereichen der ersten Temperatur T1 bis zur sechsten Temperatur T6 entsprechen.
  • Die 9 bis 12 zeigen schematisch unterschiedliche Anordnungen von Lichtleitern 72 von Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen analog zu 7. Diese können in einigen Ausgestaltungen alternativ zu den in den 2 und 4 gezeigten Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen genutzt werden. In diesen Ausgestaltungen werden als Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen zur Leitung und Ausgabe von Laserstrahlung somit Lichtleiter 72, beispielsweise Lichtleitfasern, genutzt.
  • Der in 9 gezeigte Lichtleiter 72 weist einen Durchmesser D4 von 500 µm -1000 µm auf. Er kann genutzt werden, um Laserstrahlung einer beliebig angeordneten Laserquelle derart auszugeben, dass sie an einer gewünschten Position auf dem zu erhitzenden Pulver auftritt. Die Darstellung zeigt eine Draufsicht auf ein Ende des Lichtleiters 72, welches zur Ausgabe von Laserstrahlung eingerichtet ist und somit als Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe von Laserstrahlung dient. Dies gilt analog auch für die folgenden Figuren.
  • In 10 ist eine quadratische Multispotanordnung 100 dargestellt, die als Feld bzw. Array mit fünf mal fünf Lichtleitern 72 ausgestaltet ist. Bei bevorzugten Durchmessern der einzelnen Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen im Bereich von 500 µm beträgt die Länge L1 entlang beider Ausdehnungsrichtungen der quadratischen Anordnung entsprechend 2,5 mm. Eine derartige Multispotanordnung 100 kann analog zur in den 6 und 7 gezeigten Multispotanordnung 100 genutzt werden.
  • In Anhängigkeit der jeweiligen Anforderungen können unterschiedliche Anordnungen der einzelnen Lichtleiter 72 innerhalb der Multispotanordnung 100 gewählt werden, so dass beispielsweise rechteckige oder runde Formen vorliegen, wie sie den 11 und 12 dargestellt sind.
  • 13 zeigt schematisch ein Detail einer Vorrichtung zur generativen Herstellung eines Bauteils 12. Ein Pulver 20 eines Materials 22 ist auf einer hier nicht dargestellten Aufnahme- und Bewegungseinrichtung angeordnet und wird durch diese entlang der Vorschubrichtung 49 bewegt. Eine Lasereinheit 32 mit sechzehn in einer ortsfesten Multispotanordnung 100 angeordneten Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen ist oberhalb des Pulvers 20 und hinter diesem angeordnet. Die Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen sind an ihren jeweils anderen Enden mit jeweils einer hier nicht dargestellten Laserquelle verbunden, welche ebenfalls Teil der Lasereinheit 32 ist. Die Multispotanordnung 100 ist als Feld bzw. Array mit zwei mal acht Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen ausgestaltet, sodass jeweils acht Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen an unterschiedlichen Positionen entlang der Vorschubrichtung 49, nämlich hintereinander, angeordnet sind und jeweils zwei Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen an derselben Position entlang der Vorschubrichtung 49, nebeneinander, angeordnet sind. Die Darstellung zeigt beispielhaft Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen gemäß den 2 bzw. 4, es können jedoch ebenso solche nach den 9 bis 12 genutzt werden.
  • Auf diese Weise sind die mit den jeweils acht hintereinander angeordneten Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen verbundenen Laserquellen derart angeordnet bzw. mittels der jeweiligen Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen derart ausgestaltet, dass sie zur Ausgabe von Laserstrahlung an unterschiedlichen Positionen entlang der Vorschubrichtung 49 eingerichtet sind. Auf diese Weise kann der Bereich 25 des Pulvers 20 bei Bewegung des Pulvers 20 entlang der Vorschubrichtung 49 von mittels jeder der acht nebeneinander angeordneten Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen ausgegebenen Laserstrahlung nacheinander bestrahlt werden. Auf diese Weise erfolgt das Erhitzen bzw. Schmelzen des Bereichs 25 in acht Schritten.
  • Bei weitergehender Bewegung entlang der Vorschubrichtung 49, nach der Passage der Lasereinheit 32, erstarrt das geschmolzene Material 22 zwecks zumindest bereichsweiser Ausbildung wenigstens eines Bauteils. Auf diese Weise wird eine Materialschicht 27 gebildet.
  • Die jeweils zwei nebeneinander befindlichen Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen können in Abhängigkeit der genutzten optischen Elemente einerseits der zeitgleichen Bestrahlung des jeweiligen Teils des Pulvers 20 dienen, um auf diese Weise die auf den Teil des Pulvers 20 insgesamt realisierte Strahlungsleistung zu erhöhen. Ergänzend oder alternativ können sie der zeitlich nacheinander erfolgenden Bestrahlung eines Bereichs 25 der Oberfläche 26 beim Führen der jeweiligen Laserstrahlung über die Oberfläche 26 entlang der Scanrichtung 31 dienen. Alternativ zur hier dargestellten Anordnung der Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen könnten diese auch zickzackartig versetzt angeordnet sein, um entlang der Vorschubrichtung 49 auf unterschiedlichen Positionen hintereinander Laserstrahlung auszugeben. Jede der gezeigten Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen kann analog zu 1 an mehrere Laserquellen gekoppelt und somit zur Leitung und Ausgabe mittels mehrerer Laserquellen ausgegebener Laserstrahlung eingerichtet sein.
  • Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen rotierenden Polygonspiegel 38, dessen Rotationsachse parallel zur Vorschubrichtung 49 verläuft. Dieser dient dem Führen der aus den jeweiligen Leitungs- und Ausgabeeinrichtungen punktuell austretenden Laserstrahlung über die Oberfläche 26 des Pulvers 20, was auch als Scannen bezeichnet wird. Dabei bewegt sich ein Auftrittspunkt der jeweiligen Laserstrahlung entlang einer senkrecht zur Vorschubrichtung 49 verlaufenden Scanrichtung 31.
  • Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine Planfeldoptik 36, nämlich eine F-Theta-Linse, mittels welcher eine Ablenkung der Laserstrahlung erfolgt, sodass eine gleichmäßige Bestrahlung der ebenen Oberfläche 26 des Pulvers 20 realisierbar ist.
  • In 14 ist eine weitere Detaildarstellung der Vorrichtung zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils dargestellt. Das in 13 gezeigte Detail ist hierbei mittig dargestellt, wobei die mittels Multispotanordnung 100 ausgegebene Laserstrahlung 30 schematisch dargestellt ist. Dabei sind jeweils der erste und der letzte entlang der Scanrichtung 31 auf das Pulver 20 auftreffende Auftrittspunkt dargestellt.
  • Auch hier ist die Planfeldoptik 36 sowie der rotierende Polygonspiegel 38 mit seiner parallel zur Vorschubrichtung 49 ausgerichteten Rotationsachse 39 dargestellt. Er dreht sich entlang der Rotationsrichtung 37.
  • Es ist ersichtlich, dass die Vorrichtung mehrere Generationseinrichtungen 55 zur generativen Herstellung jeweils einer Materialschicht 27 umfasst. Jede der Generationseinrichtungen 55 umfasst eine Auftrageinrichtung 52 zum Auftragen des Pulvers 20 zwecks Anordnung des Pulvers 20 auf der Aufnahme- und Bewegungseinrichtung 50 bzw. auf zuvor zumindest teilweise geschmolzenem und wieder erstarrtem Material. Weiterhin umfasst jede Generationseinrichtung 55 als Schmelzeinrichtung eine Lasereinheit 32 mit acht Laserquellen zur zeitlich aufeinanderfolgenden Bestrahlung des Bereichs 25 des Pulvers.
  • Die Auftrageinrichtung 52 umfasst einen Pulvertank 53 und einen sich von diesem entlang der Schwerkraftrichtung nach unten erstreckenden Pulverschacht 54 zur Leitung des Pulvers auf die Aufnahme- und Bewegungseinrichtung 50 bzw. auf zuvor zumindest teilweise geschmolzenes und wieder erstarrtes Material. Der Pulverschacht 54 weist einen sich entlang der Schwerkraftrichtung kontinuierlich erweiternden Querschnitt auf, sodass Verblockungen des zu fördernden Pulvers verhindert werden. Die in Bezug zur Vorschubrichtung 49 vorn angeordnete Wandung des Pulverschachts 54 dient als Rakel 90 zum Abstreifen überschüssigen Pulvers zwecks Herstellung einer ebenen Pulveroberfläche.
  • Entlang der Vorschubrichtung 49 hinter der Auftrageinrichtung 52 ist als Teil jeder Generationseinrichtung 55 eine Verdichtungseinrichtung 80 zum Verdichten des aufgetragenen Pulvers 20 angeordnet. Diese dient der Verringerung des Anteils im Pulver 20 enthaltenen Gases bzw. Gasgemischs, sodass die mechanische Festigkeit des Pulververbunds erhöht wird. Mit anderen Worten wird bei der Verdichtung zwischen den Pulverkörnern befindliches Gas verdrängt bzw. nach außen geleitet und auf diese Weise das Gesamtvolumen des Pulvers 20 verringert bzw. dessen Dichte erhöht.
  • Die Verdichtungseinrichtung 80 umfasst ein beweglich angeordnetes Verdichtungselement 82, auch als Stempel bezeichnet, mit einer an der Unterseite angeordneten Verdichtungsfläche 83 zum Ausüben einer Kraft auf das Pulver 20 entlang der senkrecht nach unten ausgerichteten Kraftausübungsrichtung 85. Auf diese Weise kann mittels des Verdichtungselements 82 eine verdichtete Oberfläche des Pulvers 20 hergestellt werden.
  • Das Verdichtungselement 82 ist dazu eingerichtet, mittels eines Doppelpfeils schematisch dargestellte Schwingungen 81 in Bezug zum Pulver 20 auszuführen und in dieses einzubringen. Somit kann durch wiederholte Kraftausübung mittels der Verdichtungsfläche 83 die verdichtete Oberfläche des Pulvers 20 hergestellt werden.
  • Die Verdichtungsfläche 83 erstreckt sich entlang einer horizontal ausgerichteten Verdichtungsebene 84. Das Verdichtungselement 82 weist eine Einführfläche 87 auf, die eine Kante mit der Verdichtungsebene 84 ausbildet bzw. einen asymptotischen Übergang der Einführfläche 87 und der Verdichtungsfläche 83 ergeben. Diese dient zur Verdichtung von Pulver 20 zwecks Einführens des Pulvers 20 unter die Verdichtungsfläche 83 bei einer Relativbewegung zwischen dem Pulver 20 und dem Verdichtungselement 82 senkrecht zur Kraftausübungsrichtung 85. Mit anderen Worten ist der bei einer Bewegung des Pulvers 20 entlang der Vorschubrichtung 49 zuerst auf dieses auftreffende Bereich des Verdichtungselements 82 als Schräge ausgeführt, die für ein erleichtertes Einführen des Pulvers 20 unter die Verdichtungsfläche 83 das Pulver 20 erstmalig verdichtet. Diese Schräge erstreckt sich, ausgehend von der horizontalen Verdichtungsfläche 83, schräg entgegen der Vorschubrichtung 49 nach oben. Dabei fördert das Verdichtungselement 82 durch den Wechsel zwischen Aufwärtsbewegung und Abwärtsbewegung in der Schwingung 81 Pulverzustrom im Bereich des Pulverschachtes 54, sodass es nicht zu einer Verklumpung kommt.
  • Es ist ersichtlich, dass die auf der rechten Seite gezeigte Generationseinrichtung 55 vollständig dargestellt ist, während bei der daran anschließenden, auf der linken Seite dargestellten Generationseinrichtung 55 aus Gründen der Übersichtlichkeit die Lasereinheit 32 nicht dargestellt ist.
  • Die auf der rechten Seite gezeigte Generationseinrichtung 55 dient der Herstellung einer in einer ersten Ebene 41 angeordneten Materialschicht 27 auf der Oberfläche der Aufnahme- und Bewegungseinrichtung 50, also des Förderbands. Die links davon dargestellte Generationseinrichtung 55 dient der Herstellung einer in einer zweiten Ebene 42 angeordneten Materialschicht auf der Oberfläche der zuvor hergestellten Materialschicht 27 der ersten Ebene 41. Die zweite Ebene 42 verläuft parallel zur ersten Ebene 41 in einem Abstand zu dieser, der der Dicke der Materialschicht 27 bzw. der entsprechenden Pulverschicht entspricht. Es kann eine Vielzahl weiterer Generationseinrichtungen 55 folgen, um Schicht für Schicht das Bauteil vollständig im kontinuierlichen Verfahren herstellen zu können.
  • Bei der Durchführung des Verfahrens zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils erfolgt die Bestrahlung eines in der ersten Ebene 41 angeordneten ersten Bereichs 46 des Pulvers 20. Zeitgleich dazu wird auf einem zuvor zumindest teilweise geschmolzenen und wieder erstarrten, in der ersten Ebene 41 angeordneten und links vom ersten Bereich 46 dargestellten zweiten Bereich 47 des Materials 22 Pulver 20 in der zweiten Ebene 42 mittels der Auftrageinrichtung 52 aufgetragen, mittels Laserstrahlung 30 erhitzt und zumindest teilweise geschmolzen. Auf diese Weise erfolgt zeitgleich die Ausbildung mehrerer Ebenen 41, 42 des Bauteils. Dabei erfolgen der Auftrag sowie das Erhitzen des Pulvers der ersten Ebene 41 und der zweiten Ebene 42 in räumlicher und zeitlicher Nähe zueinander, sodass insgesamt ein langsames und gleichmäßiges Abkühlen des hergestellten Bauteils erfolgen kann.
  • 15 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zur Durchführung des Verfahrens mit neun Generationseinrichtungen 55 zur generativen Herstellung jeweils einer Materialschicht des herzustellenden Bauteils 12. Selbstverständlich werden üblicherweise wesentlich mehr Generationseinrichtungen 55 angeordnet, um aus einer Vielzahl von Materialschichten aufzubauende Bauteile vollständig mit der Vorrichtung 10 herstellen zu können. Nach Auftrag aller Materialschichten wird das hergestellte Bauteil 12 sowie das darum herum befindliche überschüssige verdichtete Pulver 20 mittels des Förderbands 51 zur linken Seite der Vorrichtung 10 transportiert, wo es in der sogenannten Auspackstation 120 entnommen und von überschüssigem Pulver 20 befreit wird. Dieses wird in der schematisch dargestellten Pulversammlung 122 gesammelt, um erneut dem Prozess zugeführt zu werden.
  • Jede Generationseinrichtung 55 umfasst eine Auftrageinrichtung 52 mit einem Pulverschacht 54. In der hier gezeigten Ausgestaltung sind sämtliche Pulverschächte 54 mit einem gemeinsamen Pulvertank 53 verbunden, aus welchem sie mit aufzutragendem Pulver 20 gespeist werden. Die auf der rechten Seite dargestellte Auftrageinrichtung 52 der ersten Generationseinrichtung 55 dient dem Auftrag des Pulvers 20 auf die Aufnahme- und Bewegungseinrichtung 50, nämlich das metallische Förderband 51, zwecks Herstellung der in der ersten Ebene 41 angeordneten Materialschicht. Die jeweils folgenden Auftrageinrichtungen 52 dienen dem Auftrag des Pulvers auf die jeweils zuvor hergestellten Materialschichten zwecks Herstellung der in der zweiten Ebene 42, der dritten Ebene 43, der vierten Ebene 44, usw. angeordneten Materialschichten. Es ist ersichtlich, dass zeitgleich zur Herstellung des ersten Bereichs 46 der in der ersten Ebene 41 angeordneten Materialschicht durch die erste Generationseinrichtung 55 auf einen zweiten Bereich 47 der zuvor mittels der ersten Generationseinrichtung 55 hergestellten, in der ersten Ebene 41 angeordneten Materialschicht mittels der zweiten Auftrageinrichtung 52 Pulver aufgetragen und mittels der zweiten Laserspotanordnung 100 bestrahlt wird. Somit dient die erste Generationseinrichtung 55 der Herstellung der in der ersten Ebene 41 angeordneten Materialschicht, die zweite Generationseinrichtung 55 dient der Herstellung der in der zweiten Ebene 42 angeordneten Materialschicht, usw.
  • Entlang der Vorschubrichtung 49 hinter einer jeweiligen Auftrageinrichtung 52 befindet sich jeweils eine Lasereinheit 32, umfassend eine Multispotanordnung 100 und an jeweilige Lichtleiter 72 der Multispotanordnung 100 angeschlossene, hier nicht dargestellte Laserquellen. Die Multispotanordnung 100 ist beispielsweise analog zu der in 6 oder in 8 gezeigten ausgestaltet und dient dem dort beschriebenen Zweck Durch die jeweils dreieckig dargestellte Laserstrahlung 30 soll schematisch angedeutet werden, dass sich die jeweilige Laserstrahlung der jeweilig an denselben Positionen entlang der Vorschubrichtung 49 angeordneten Lichtleiter überlagern. Die gestrichelten Linien und Doppelpfeile im Bereich der rechts dargestellten Laserstrahlen 30 deuten an, dass mittels geeigneter optischer Elemente zeitgleich mit der Bewegung des Pulvers entlang der Vorschubrichtung 49 sowie mit dem Führen der jeweiligen Auftrittspunkte der Laserquellen über die zu bestrahlende Oberfläche entlang einer senkrecht zur Vorschubrichtung verlaufenden Richtung mittels des rotierenden Polygonspiegels 38 eine Steuerung bzw. Anpassung des Winkels im hier dargestellten Bereich vorgenommen werden kann, um ein Scannen der Oberfläche entlang paralleler Bahnen zu realisieren. Darüber hinaus können Parameter der Laserstrahlung 30 wie beispielsweise jeweilige Auftrittspunkte durch geeignete Konfiguration optischer Elemente an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Schematisch dargestellt ist ebenfalls der rotierende Polygonspiegel 38 mit seiner Rotationsachse 39.
  • Unterhalb der sich entlang der Vorschubrichtung 49 bewegenden Oberseite des Förderbands 51 ist eine Kühlungseinrichtung angeordnet, in welche Kaltwasser 110 eingespeist wird, entlang einer Fließrichtung 115 entgegen der Vorschubrichtung 49 strömt und dabei infolge abgegebener Wärme der aufgeschmolzenen Schichten erwärmt wird und anschließend als Heißwasser 112 im rechten Bereich der Darstellung entnommen wird. Dies dient der Beeinflussung der Temperatur sowie insbesondere einer gleichmäßigen Abkühlung des Bauteils 12. In diesem Zusammenhang ist ersichtlich, dass die Temperatur des herzustellenden Bauteils bzw. der Mehrschichtanordnung auf der rechten Seite am höchsten ist und entlang der Vorschubrichtung 49 geringer wird.
  • Jede Generationseinrichtung 55 umfasst weiterhin eine Verdichtungseinrichtung 80 zum Verdichten des aufgetragenen Pulvers zwecks Verringerung des Anteils im Pulver 20 enthaltenen Gases bzw. Gasgemischs zur Steigerung der mechanischen Festigkeit des Pulvers 20. In dieser Ausgestaltung ist der gesamte Pulvertank 53 zur Ausführung von Schwingungen 81 beziehungsweise zum Rütteln ausgestaltet, um diese mittels jeweiliger (nicht dargestellter) Verdichtungselemente 82 in das aufgetragene Pulver einzubringen, um auf diese Weise eine verdichtete Oberfläche des Pulvers herzustellen.
  • Bezugszeichenliste
  • Vorrichtung 10
    Bauteil 12
    Pulver 20
    Material 22
    Bereich 25
    Oberfläche 26
    Materialschicht 27
    Laserstrahlung 30
    Scanrichtung 31
    Lasereinheit 32
    Laserquelle 34
    Planfeldoptik 36
    Rotationsrichtung 37
    Rotierender Polygonspiegel 38
    Rotationsachse 39
    Erste Ebene 41
    Zweite Ebene 42
    Dritte Ebene 43
    Vierte Ebene 44
    Erster Bereich 46
    Zweiter Bereich 47
    Vorschubrichtung 49
    Aufnahme- und Bewegungseinrichtung 50
    Förderband 51
    Auftrageinrichtung 52
    Pulvertank 53
    Pulverschacht 54
    Generationseinrichtung 55
    Wärmestrahlung 60
    Erfassungseinrichtung 62
    Leitungs- und Ausgabeeinrichtung 70
    Lichtleiter 72
    Photonische Kristallfaser 73
    Innerer Bereich 75
    Glaskörper 76
    Hohlraum 77
    Glasmantel 78
    Verdichtungseinrichtung 80
    Schwingung 81
    Verdichtungselement 82
    Verdichtungsfläche 83
    Verdichtungsebene 84
    Kraftausübungsrichtung 85
    Einführfläche 87
    Rakel 90
    Multispotanordnung 100
    Kaltwasser 110
    Heißwasser 112
    Fließrichtung 115
    Auspackstation 120
    Pulversammlung 122
    Störstrahlung 130
    Optisches Element 132
    Spiegel 135
    Spiegel 137
    Erste Sammellinse 138
    Zweite Sammellinse 139
    Steuerungseinrichtung 140
    Temperaturauswertungseinrichtung 142
    Laserquellensteuerung 144
    Durchmesser D1
    Durchmesser D2
    Durchmesser D3
    Durchmesser D4
    Länge L1
    Erste Temperatur T1
    Zweite Temperatur T2
    Dritte Temperatur T3
    Vierte Temperatur T4
    Fünfte Temperatur T5
    Sechste Temperatur T6
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102013011675 A1 [0005]
    • EP 3034205 A2 [0006]
    • DE 102015103127 A1 [0007]

Claims (10)

  1. Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils (12), bei dem ein Pulver (20) eines Materials (22) mittels Laserstrahlung (30) erhitzt und zumindest teilweise geschmolzen wird und das geschmolzene Material (22) zwecks zumindest bereichsweiser Ausbildung des Bauteils (12) erstarrt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Bereich (25) des Pulvers (20) mit mittels wenigstens einer ersten Laserquelle (34) ausgegebener Laserstrahlung (30) und anschließend mit mittels wenigstens einer zweiten Laserquelle (34) ausgegebener Laserstrahlung (30) bestrahlt wird und somit ein Erhitzen und/oder Schmelzen des Bereichs (25) in mehreren Schritten realisiert wird.
  2. Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver (20) zumindest zeitabschnittsweise zeitgleich mit der Bestrahlung durch wenigstens eine Laserquelle (34) entlang einer Vorschubrichtung (49) bewegt wird, wobei die Bewegung insbesondere relativ zu der Laserquelle (34) bzw. zu einer Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe von Laserstrahlung (30) erfolgt.
  3. Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des Pulvers (20) mittels wenigstens zweier Laserquellen (34) zumindest zeitabschnittsweise zeitgleich bestrahlt wird, sodass die auf den Teil treffende Strahlungsleistung größer ist als die mittels einer der Laserquellen (34) realisierbare Strahlungsleistung.
  4. Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Laserquelle (34) mittels einer Planfeldoptik (36) auf einer im Wesentlichen ebenen Oberfläche (26) des Pulvers (20) abgebildet werden.
  5. Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (30) mittels einer optischen Abtastvorrichtung, insbesondere mittels eines rotierenden Polygonspiegels (38), über das Pulver (20) geführt wird.
  6. Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nebenbereich des Pulvers (20), welcher dem zwecks Ausbildung des Bauteils (12) zu schmelzenden bzw. geschmolzenen Bereich (25) benachbart ist, erhitzt wird, insbesondere durch Bestrahlung mittels Laserstrahlung (30), um durch die Verringerung von Temperaturdifferenzen zwischen zu schmelzendem bzw. geschmolzenem Pulver (20) und dem Nebenbereich des Pulvers (20) eine Ableitung von Wärme aus dem zu schmelzenden bzw. geschmolzenen Bereich (25) des Pulvers (20) zu minimieren.
  7. Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Bauteils (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitabschnittsweise zeitgleich zur Bestrahlung eines in einer ersten Ebene (41) angeordneten ersten Bereichs (46) des Pulvers (20) des Materials (22) auf einen zuvor zumindest teilweise geschmolzenen und insbesondere wieder erstarrten, in der ersten Ebene (41) angeordneten zweiten Bereich (47) des Materials (22) ein Pulver (20) eines Materials (22) in einer zur ersten Ebene (41) beabstandeten zweiten Ebene (42) aufgetragen, mittels Laserstrahlung (30) erhitzt und zumindest teilweise geschmolzen wird, sodass zeitgleich eine Ausbildung mehrerer Ebenen (41, 42) eines Bauteils (12) erfolgt.
  8. Vorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1-7, umfassend eine Aufnahme- und Bewegungseinrichtung (50) zur Aufnahme eines Pulvers (20) und Bewegung des Pulvers (20) entlang einer Vorschubrichtung (49) sowie eine Lasereinheit (32) mit wenigstens zwei Laserquellen (34) zur Realisierung von Laserstrahlung (30) auf wenigstens einen Bereich (25) des in der Aufnahme- und Bewegungseinrichtung (50) aufgenommenen Pulvers (20) zum Erhitzen und zumindest teilweisen Schmelzen des Pulvers (20), wobei die Laserquellen (34) zur Ausgabe von Laserstrahlung (30) an unterschiedlichen Positionen entlang der Vorschubrichtung (49) eingerichtet sind, sodass bei Bewegung des Pulvers (20) entlang der Vorschubrichtung (49) der Bereich (25) des Pulvers (20) mittels der Laserquellen (34) zeitlich nacheinander bestrahlbar ist.
  9. Vorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) mehrere Generationseinrichtungen (55) zur generativen Herstellung jeweils einer Materialschicht (27) wenigstens eines Bauteils (12) aufweist, wobei jede Generationseinrichtung (55) eine Auftrageinrichtung (52) zum Auftragen des Pulvers (20) zwecks Anordnung auf der Aufnahme- und Bewegungseinrichtung (50) bzw. auf zuvor zumindest teilweise geschmolzenem und insbesondere wieder erstarrtem Material sowie eine Lasereinheit (32) umfasst.
  10. Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftwagen, umfassend wenigstens ein mit dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-7 hergestelltes Bauteil (12).
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